定义
力矩
moment = F × x
The moment of a force about a point is the product of the force and the perpendicular distance from the point to the line of action of the force.
x 的单位是 m,力矩的单位是 N m。答题时要写顺时针还是逆时针。x 是点到力的作用线的垂直距离,不是沿杆量到施力点的斜边。
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爱德思国际 A-Level · 物理 · 单元 1 · WPH11 力学与材料 · 18 分钟
★★☆☆☆5 min
Moment of a force
力矩是力让物体绕某一点转动的效果。爱德思考纲写的是 moment of a force = F x。只报力的大小不够,还要报这力的作用线离转轴有多远。
定义
moment = F × x
The moment of a force about a point is the product of the force and the perpendicular distance from the point to the line of action of the force.
x 的单位是 m,力矩的单位是 N m。答题时要写顺时针还是逆时针。x 是点到力的作用线的垂直距离,不是沿杆量到施力点的斜边。
moment = F × x
例题
杆长 0.80 m,一端为轴。在另一端施加 20 N,力与杆成 90°。求力矩。
16 N m
★★★☆☆5 min
Perpendicular distance
力不跟杆垂直时,不能把杆长直接乘上去。先作出转轴到力的作用线的垂线,这段才是 x。力与杆的夹角是 θ 时,x = L sin θ。
作用线正好穿过转轴时,垂直距离是 0,力矩是 0,没有转动效果。
moment = F L sin θ
例题
杆长 0.50 m,一端为轴。另一端的力是 12 N,力与杆成 30°。求力矩。
3.0 N m
sin 和 cos 看夹角怎么定义。θ 是力与杆的夹角时用 sin。题干如果给的是力与竖直方向的夹角,要先画图再决定。
★★☆☆☆4 min
Centre of gravity
算扩展物体的力矩时,整段重力可以看成集中在一个点上。这个点就是 centre of gravity。
形状规则、密度均匀的物体,重心在几何中心:均匀杆在中点,均匀圆板在圆心。重心的竖直线落在支撑面内,物体才不容易翻倒。竖直线落到支撑面外面,重力会提供一个翻转的力矩。
定义
The centre of gravity of a body is the point at which the weight of the body may be considered to act.
均匀杆、均匀板:重心在几何中心。球在球心。密度不均匀时,重心偏向质量更大的一侧,不能默认在正中间。
例题
均匀杆长 1.20 m,重 8.0 N,左端为轴,杆水平。重力的力矩是多少?
4.8 N m
★★★★☆7 min
Principle of moments
扩展物体要静止,平动和转动都得停。合力为零,并且对同一个点,顺时针力矩等于逆时针力矩。
列式时对一个支点取矩,这个支点上的力力臂是 0,方程里就少一个未知数。轻杆表示杆自身重量为 0。均匀杆不是轻杆,重力在中点。
定义
For a body in equilibrium, the sum of the clockwise moments about a point equals the sum of the anticlockwise moments about the same point.
定义
A body is in equilibrium when the resultant force is zero and the resultant moment about any point is zero.
Σ clockwise moments = Σ anticlockwise moments
例题
均匀梁长 4.0 m,重 80 N,两端支在 A、B。离 A 1.0 m 处再放 120 N。求 A、B 的支持力。
R_A = 130 N,R_B = 70 N,都竖直向上
★★★★☆4 min
Common mistakes
WPH11 这一节丢分,通常不是公式记错,而是把距离、方向或平衡条件用错。
错误做法 力不垂直时,仍把杆长 L 直接乘上去。
应当 x 是 perpendicular distance,从转轴到 line of action 的垂线。θ 是力与杆的夹角时,用 F L sin θ。
错误做法 sin 和 cos 看哪边顺手就用哪边。
应当 先画图,确认 θ 是力与杆的夹角,还是力与竖直方向的夹角,再决定分量。
错误做法 把 light beam 和 uniform beam 当成同一种杆。
应当 light / weightless 的重量按 0。uniform 的重量在中点,必须写进力矩方程。
错误做法 换了取矩点,却把另一边的距离留着,顺时针逆时针混在不同点上。
应当 clockwise 和 anticlockwise 必须 about the same point。
错误做法 漏掉梁自己的重量,或把 centre of gravity 放在端点。
应当 均匀梁的重量作用在几何中心。漏掉这一项,两端支持力会整组算错。
错误做法 力矩的单位写成 J。
应当 这里的单位是 N m,表示转动效果。能量的 N m 才叫 joule。
错误做法 只写 resultant force = 0,就说物体处于 equilibrium。
应当 扩展物体还要写:resultant moment about any point = 0。
★☆☆☆☆2 min
Quick reference
卷子上先判断问的是 Define、垂直距离,还是对某一点列力矩方程。
| 力矩moment of a force | F × perpendicular distance。考纲写法 moment = F x。单位 N m,不是 J。 |
|---|---|
| 垂直距离perpendicular distance | 从转轴到 line of action 的最短距离。力与杆垂直时,才等于杆长。 |
| 斜向的力force at an angle | θ 是力与杆的夹角时,moment = F L sin θ。只用垂直于杆的分量。 |
| 力矩原理principle of moments | 物体平衡时,对同一个点:sum of clockwise moments = sum of anticlockwise moments。 |
| 重心centre of gravity | The point at which the weight of the body may be considered to act。均匀杆在中点。 |
| 平衡equilibrium | Resultant force = 0,并且 resultant moment about any point = 0。 |
| 取矩taking moments | 对未知力的作用点取矩,该力的 moment 为 0,可以从方程里消掉。 |
Define · 2 marks
The moment of a force about a point is the force multiplied by the perpendicular distance from the point to the line of action of the force.
SYLLABUS
Edexcel IAL Physics 官方考纲
Pearson Edexcel International A Level Physics (2018) · Unit 1 WPH11 · 1.15 moment = Fx · 1.16 centre of gravity and the principle of moments
力矩和重心是爱德思 IAL 单元 1 里处理扩展物体的基础。材料一章要把力画在正确的作用点上,功和能要分清 N m 和 J,单元 4 的圆周运动也还是力产生的转动效果。WPH11 里这一节经常出 Define,也出均匀梁两端支持力的计算。
读完了?练一练这一章
做这一章的题,做完知道自己哪块没稳。